DE112009002311B4

DE112009002311B4 - Light source device and optoelectronic component

Info

Publication number: DE112009002311B4
Application number: DE112009002311.8T
Authority: DE
Inventors: Xianghua WANG; Kun Nam Hui; Hoi Wai CHOI
Original assignee: Versitech Ltd
Current assignee: Versitech Ltd
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: KR20110082162A; WO2010037274A1; US7982228B2; CN102171847B; JP2012504856A; DE112009002311T5; US20100084668A1; CN102171847A; TW201017863A; KR101207796B1

Abstract

Lichtquellenvorrichtung mit- einer ersten lichtemittierenden Diode (1505) zum Emittieren von Licht einer ersten Wellenlänge (200), wobei die erste lichtemittierende Diode (1505) gewinkelte Facetten zum Reflektieren von einfallendem Licht in Richtung eines oberen Endes der ersten lichtemittierenden Diode (1505) aufweist,- einer zweiten lichtemittierenden Diode (1510) zum Emittieren von Licht einer zweiten Wellenlänge (205, 210), wobei die zweite lichtemittierende Diode (1510) über dem oberen Ende der ersten lichtemittierenden Diode (1505) angeordnet ist und gewinkelte Facetten zum Reflektieren von einfallendem Licht in Richtung eines oberen Endes der zweiten lichtemittierenden Diode (1510) aufweist,- einem ersten verteilten Bragg-Reflektor (1520), der zwischen dem oberen Ende der ersten lichtemittierenden Diode (1505) und einem unteren Ende der zweiten lichtemittierenden Diode (1510) angeordnet und dafür eingerichtet ist, Licht von der ersten lichtemittierenden Diode (1505) durchzulassen und Licht von der zweiten lichtemittierenden Diode (1510) zu reflektieren, und- einer Schicht fluoreszierender Mikrosphären (1515) auf der zweiten lichtemittierenden Diode (1510), wobei die Schicht fluoreszierender Mikrosphären (1515) dafür eingerichtet ist, Licht einer dritten Wellenlänge zu emittieren, wenn sie dazu durch Licht von der ersten lichtemittierenden Diode (1510) oder durch Licht von der zweiten lichtemittierenden Diode (1510) angeregt wird.A light source device comprising a first light emitting diode (1505) for emitting light of a first wavelength (200), the first light emitting diode (1505) having angled facets for reflecting incident light towards an upper end of the first light emitting diode (1505), - a second light emitting diode (1510) for emitting light of a second wavelength (205, 210), wherein the second light emitting diode (1510) is arranged over the upper end of the first light emitting diode (1505) and angled facets for reflecting incident light in the direction of an upper end of the second light emitting diode (1510), - a first distributed Bragg reflector (1520) which is arranged between the upper end of the first light emitting diode (1505) and a lower end of the second light emitting diode (1510) and is arranged to transmit light from the first light emitting diode (1505) n and reflecting light from the second light emitting diode (1510), and a layer of fluorescent microspheres (1515) on the second light emitting diode (1510), the layer of fluorescent microspheres (1515) being adapted to emit light of a third wavelength when it is excited to do so by light from the first light-emitting diode (1510) or by light from the second light-emitting diode (1510).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquellenvorrichtung mit lichtemittierenden Dioden (LED) und ein entsprechendes optoelektronisches Bauelement.The present invention relates to a light source device with light emitting diodes (LED) and a corresponding optoelectronic component.

LEDs sind optoelektronische Bauelemente, die durch Strahlungsrekombination von injizierten Elektronen und Löchern Licht emittieren. In Abhängigkeit von der Bandlücke des aktiven Materials in einem speziellen optoelektronischen Bauelement können LEDs in einem weiten Wellenlängenbereich von ultraviolett bis infrarot emittieren. Die Wellenlängen des Lichts, die hauptsächlich von Interesse sind, liegen jedoch im sichtbaren Bereich. Im sichtbaren Spektrum (typischerweise von ∼400 nm (violett) bis ∼700 nm (rot)) emittierende LEDs sind für das menschliche Auge sichtbar und sind daher für Beleuchtungszwecke geeignet. Um Licht bei sichtbaren Wellenlängen zu emittieren, sind die Elemente der Gruppe III und V (d.h., Elemente in der dritten bzw. fünften Spalte des Periodensystems), die oft verwendet werden, Gallium (Ga), Indium (In) und Stickstoff (N). Diese Materialien werden oft mit Fremdstoffen aus anderen Spalten des Periodensystems dotiert, um eine elektrische Aktivität zu ermöglichen, was wiederum über die Rekombination eines Elektrons aus einem Leitungszustand in einen Valenzzustand Licht erzeugt.LEDs are optoelectronic components that emit light through the recombination of radiation from injected electrons and holes. Depending on the band gap of the active material in a special optoelectronic component, LEDs can emit in a wide range of wavelengths from ultraviolet to infrared. However, the wavelengths of light that are primarily of interest are in the visible range. LEDs emitting in the visible spectrum (typically from ∼400 nm (violet) to ∼700 nm (red)) are visible to the human eye and are therefore suitable for lighting purposes. To emit light at visible wavelengths, the Group III and V elements (i.e., elements in the third and fifth columns of the Periodic Table, respectively) that are often used are gallium (Ga), indium (In), and nitrogen (N) . These materials are often doped with foreign substances from other columns of the periodic table to enable electrical activity, which in turn generates light via the recombination of an electron from a conduction state to a valence state.

Die obigen Bauelemente werden als Elemente der Indium-Gallium-Nitrid((ln,Ga)N)-Materialgruppe bezeichnet. Aus diesem Materialsystem gefertigte LEDs wurden schon angewendet. LEDs umfassen typischerweise monochromatische Lichtquellen, die mit einem einzelnen Spektralpeak und einer schmalen Linienbreite (z.B. ~30 nm) emittieren. Unter Verwendung des (In,Ga)N-Materialsystems gefertigte LEDs können so ausgebildet werden, dass sie monochromatisches Licht im Bereich von ∼380 nm (nahes ultraviolett (UV)) bis ∼540 nm (d. h., grün) emittieren, indem die Indiumzusammensetzung im Materialsystem verändert wird. LEDs sind mit ihrer monochromatischen Eigenschaft für Anwendungen wie Lichtanzeiger geeignet, bei denen nur eine einzige Farbe erforderlich ist.The above components are referred to as elements of the indium gallium nitride ((In, Ga) N) material group. LEDs made from this material system have already been used. LEDs typically include monochromatic light sources that emit with a single spectral peak and a narrow line width (e.g., ~ 30 nm). LEDs fabricated using the (In, Ga) N material system can be made to emit monochromatic light in the range of 380 nm (near ultraviolet (UV)) to ∼540 nm (ie, green) by using the indium composition in the Material system is changed. With their monochromatic nature, LEDs are suitable for applications such as light indicators where only a single color is required.

Weißes Licht ist hingegen ein breitbandiges, polychromatisches Licht, das mit einer einzigen LED nicht direkt erzeugt werden kann. Wenn jedoch eine LED so ausgebildet werden kann, dass sie Licht in einer Anzahl von diskreten oder kontinuierlichen Wellenlängen erzeugt, kann das resultierende Spektrum polychromatisch sein und die Emission aus einer solchen LED erscheint als weiß. Dies kann zweckmäßig sein, da weißes Licht für Beleuchtungszwecke oft ideal ist. LEDs als Beleuchtungslichtquellen können früheren Beleuchtungstechniken, wie Glühlampen oder Leuchtstoffröhren, bezüglich Lichtausbeute, Lebensdauer und Spektrenreinheit überlegen sein.White light, on the other hand, is broadband, polychromatic light that cannot be generated directly with a single LED. However, if an LED can be made to produce light in a number of discrete or continuous wavelengths, the resulting spectrum can be polychromatic and the emission from such an LED appears as white. This can be useful as white light is often ideal for lighting purposes. LEDs as illumination light sources can be superior to previous lighting technologies, such as incandescent lamps or fluorescent tubes, in terms of luminous efficacy, service life and spectral purity.

Es gibt hauptsächlich zwei herkömmliche Verfahren zur Ausbildung von LED-Breitbandlichtquellen. Das erste Verfahren verwendet Leuchtstoffe für eine Farbabwärtswandlung. Phosphoreszierende Materialien, die Licht emittieren, wenn sie mit bestimmten Strahlungswellenlängen bestrahlt werden, werden traditionell für eine Farbumwandlung in lichtemittierenden Dioden (LEDs) verwendet. Ein Bauelement kann ein energiereiches Photon emittieren und der Leuchtstoff kann es absorbieren und dann ein energieärmeres und dadurch einer anderen Farbe entsprechendes Photon emittieren.There are mainly two conventional methods of forming broadband LED light sources. The first method uses phosphors for color downconversion. Phosphorescent materials, which emit light when irradiated with certain wavelengths of radiation, have traditionally been used for color conversion in light emitting diodes (LEDs). A component can emit a high-energy photon and the phosphor can absorb it and then emit a lower-energy photon that corresponds to a different color.

Solche Leuchtstoffe absorbieren Photonen mit kürzeren Wellenlängen und emittieren danach Photonen mit längeren Wellenlängen. Für eine Emission von weißem Licht können grünes und rotes Licht emittierende Leuchtstoffe verwendet werden. Es ist zu beachten, dass jegliche Form von Farbumwandlung von Energieverlusten begleitet ist. Während grüne Leuchtstoffe Quantenausbeuten von bis zu 90% aufweisen können, sind die Quantenausbeuten von roten Leuchtstoffen typischerweise auf etwa 40% begrenzt. Dies wiederum führt zu einer geringen Strahlungsausbeute.Such phosphors absorb photons with shorter wavelengths and then emit photons with longer wavelengths. For an emission of white light, green and red light-emitting phosphors can be used. It should be noted that any form of color conversion is accompanied by energy losses. While green phosphors can have quantum yields of up to 90%, the quantum yields of red phosphors are typically limited to around 40%. This in turn leads to a low radiation yield.

Bei solchen Farbabwärtswandlungen kann eine monochromatische LED mit kürzerer Wellenlänge, wie eine InGaN-LED, die bei 460 nm (blau) emittiert, als Anregungslichtquelle verwendet werden. Ein solches Licht kann verwendet werden, um in Leuchtstoffen, die bei längeren Wellenlängen, wie grün und rot, emittieren, eine Lumineszenz anzuregen. Ein resultierendes Licht beinhaltet Komponenten aus unterschiedlichen Teilen des sichtbaren Spektrums, und wird daher als Breitbandlicht betrachtet. Da die Leuchtstoffpartikel klein (z.B. im Nanometerbereich) und für das bloße Auge nicht erkennbar sind, erscheint das emittierte Licht als weiß, wenn die Anteile der unterschiedlichen Farben richtig sind. Diese Art der Erzeugung von weißem Licht ist ähnlich der, die bei Leuchtstoffröhren eingesetzt wird.In such color down-conversion, a shorter wavelength monochromatic LED such as an InGaN LED emitting at 460 nm (blue) can be used as the excitation light source. Such light can be used to excite luminescence in phosphors that emit at longer wavelengths, such as green and red. Resulting light includes components from different parts of the visible spectrum, and is therefore considered to be broadband light. Since the fluorescent particles are small (e.g. in the nanometer range) and not visible to the naked eye, the emitted light appears as white if the proportions of the different colors are correct. This type of white light generation is similar to that used with fluorescent tubes.

Es gibt jedoch viele Nachteile in Zusammenhang mit Leuchtstoffen, darunter ihre begrenzte Lebensdauer, Stokes-Wellenenergieverlust, geringe Zuverlässigkeit und geringe Lichtausbeute.However, there are many disadvantages associated with phosphors including their limited life, Stokes wave energy loss, poor reliability, and poor luminous efficacy.

Ein weiteres Verfahren zum Ausbilden einer LED-Breitbandlichtquelle ist das Anbringen einzelner LED-Chips auf einer einzigen Baugruppe. Diese werden oft als Multichip-LEDs bezeichnet, bei denen LEDs, die in den Grundfarben des Lichts (d. h., blau, grün und rot) emittieren, auf einer einzigen Baugruppe bzw. Packung angebracht sind. Es kann jedoch unter Anwendung dieser Technik keine Emission von weißem Licht erzielt werden. Jeder LED-Chip weist typischerweise Abmessungen von mehr als 100 Mikrometern auf, während der Abstand von LED-Chips in der gleichen Größenordnung liegt. Als Folge davon sind die Farben nicht homogenisiert und erscheinen deshalb für das bloße Auge als einzelne Farben, sofern sie nicht in sehr großen Abständen platziert sind, wodurch die Intensität einer LED immens abgefallen ist.Another method of forming a broadband LED light source is to mount individual LED chips on a single assembly. These are often referred to as multichip LEDs, in which LEDs that emit the primary colors of light (ie, blue, green and red) are mounted on a single assembly or package. However, white light emission cannot be achieved using this technique. Each LED chip has typically dimensions of more than 100 micrometers, while the spacing of LED chips is of the same order of magnitude. As a result of this, the colors are not homogenized and therefore appear to the naked eye as individual colors, unless they are placed at very large distances, as a result of which the intensity of an LED has dropped immensely.

Aus der US 2008 / 0 190 479 A1 ist ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement bekannt, das eine erste lichtemittierende Stapelstruktur und eine zweite lichtemittierende Stapelstruktur aufweist, wobei die zweite Struktur auf der ersten Struktur angeordnet ist und mit dieser mittels einer transparenten Verbindungsstruktur elektrisch verbunden ist. Die erste Struktur und die zweite Struktur können Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Durch Anlegen einer Spannung an dem Halbleiterbauelement mittels einer ersten Elektrode auf der zweiten Struktur und einer zweiten Elektrode unter der ersten Struktur kann das Halbleiterbauelement Mischlicht mit einem Spektrum aus den unterschiedlichen Wellenlängen emittieren.From the US 2008/0 190 479 A1 a light-emitting semiconductor component is known which has a first light-emitting stack structure and a second light-emitting stack structure, the second structure being arranged on the first structure and being electrically connected to it by means of a transparent connection structure. The first structure and the second structure can emit light of different wavelengths. By applying a voltage to the semiconductor component by means of a first electrode on the second structure and a second electrode below the first structure, the semiconductor component can emit mixed light with a spectrum from the different wavelengths.

Des Weiteren ist aus der US 2006 / 0 011 935 A1 eine lichtemittierende Diodenstruktur mit einer einzelnen lichtemittierenden aktiven Schicht und gewinkelten Seitenflächen bekannt, wobei die gewinkelten Seitenflächen eine Lichtausgabeeffizienz der Diodenstruktur erhöhen sollen.Furthermore, from the US 2006/011935 A1 discloses a light emitting diode structure having a single light emitting active layer and angled side faces, the angled side faces intended to increase a light output efficiency of the diode structure.

Außerdem offenbart die US 2008 / 0 113 493 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trennung von auf einem Wafer geformten Halbleiterelementen mittels eines Lasers.In addition, the US 2008/0 113 493 A1 a device and a method for separating semiconductor elements formed on a wafer by means of a laser.

In der JP H07- 254 732 A ist ein LED-Schichtaufbau offenbart, der eine rotes Licht emittierende LED, eine darüberliegende, grünes Licht emittierende LED und eine darüber angeordnete, blaues Licht emittierende LED sowie einen verteilten Bragg-Reflektor zwischen einem oberen Ende der roten LED und einem unteren Ende der grünen LED beinhaltet.JP H07-254 732 A discloses an LED layer structure which has a red light emitting LED, an overlying, green light emitting LED and an overlying, blue light emitting LED as well as a distributed Bragg reflector between an upper end of the red LED and a lower end of the green LED.

Weitere herkömmliche Lichtquellenvorrichtungen und optoelektronische Bauelemente mit LED-Schichtstapeln bzw. Mikrodisplaystapeln sind in den Offenlegungsschriften US 2002 / 0 070 681 A1 , US 2004 / 0 227 144 A1 und JP H08- 202 288 A offenbart.Further conventional light source devices and optoelectronic components with LED layer stacks or microdisplay stacks are in the laid-open specifications US 2002/0 070 681 A1 , US 2004/0 227 144 A1 and JP H08-202 288 A disclosed.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Lichtquellenvorrichtung mit mehreren übereinanderliegenden LEDs und einem zwischenliegenden Bragg-Reflektor sowie eines optoelektronischen Bauelements zugrunde, mit denen sich Unzulänglichkeiten im Stand der Technik in neuartiger und vorteilhafter Weise überwinden lassen.The technical problem underlying the invention is the provision of a light source device with several LEDs lying one above the other and an intermediate Bragg reflector as well as an optoelectronic component with which deficiencies in the prior art can be overcome in a novel and advantageous manner.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Lichtquellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines optoelektronischen Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The invention solves this problem by providing a light source device with the features of claim 1 and an optoelectronic component with the features of claim 11. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Lichtquellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zur Verfügung.According to a first aspect, the present invention provides a light source device having the features of claim 1.

Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zur Verfügung.According to a second aspect, the present invention provides an optoelectronic component having the features of claim 11.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung und nichterfindungsgemäße Vergleichsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren gleiche Teile bezeichnen, sofern nichts anderes angegeben ist.

1 stellt schematisch einen LED-Stapel dar.
2 stellt in der Ansicht von 1 einige Beispielen von Licht unterschiedlicher Farben dar, das durch selektive Energiezufuhr zu einem roten LED-Element, einem grünen LED-Element und einem blauen LED-Element erzeugt werden kann.
3 stellt in der Ansicht von 1 verschiedene Winkel dar, in denen sich Lichtstrahlen innerhalb des roten LED-Elements, grünen LED-Elements und blauen LED-Elements ausbreiten können.
4 stellt ein schematisches Bild eines Stapels von drei LED-Elementen dar.
5 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop(REM)-Aufnahme eines zusammengesetzten Stapels von drei LEDs.
6 zeigt in einem Kennliniendiagramm Reflexionsspektren von Schichten einer ersten verteilten Bragg-Reflektor(DBR)-Schicht und einer zweiten DBR-Schicht.
7 zeigt in einem Diagramm eine monochromatische Emission von blauem Licht aus einem LED-Stapel und das zugehörige Spektrum.
8 zeigt in einem Diagramm eine polychromatische Emission von rosa Licht aus einem LED-Stapel durch Mischen von blauer und roter Emission, zusammen mit dem zugehörigen Spektrum.
9 zeigt in einem Diagramm einen Bereich von unterschiedlichen Farben, die von einem LED-Stapel emittiert werden, zusammen mit den zugehörigen Spektren.
10 zeigt ein schematisches perspektivisches Bild von drei roten, grünen bzw. blauen Mikrodisplays.
11 zeigt eine Mikroskopaufnahme eines gefertigten blauen monochromatischen Mikrodisplays.
12 zeigt ein schematisches Bild in perspektivischer orthogonaler Ansicht eines zusammengesetzten gestapelten Mikrodisplays.
13 zeigt ein schematisches Bild in Draufsicht eines zusammengesetzten gestapelten Mikrodisplays.
14 stellt blockdiagrammtisch ein Laser-Mikrobearbeitungssystem dar, das mehrere Hauptkomponenten umfassen kann, darunter einen Ultraviolett(UV)-Laser hoher Leistung, einen Strahlaufweiter, einen Laserlinienspiegel, eine Fokussierlinse, einen Breitband-UV-Spiegel, einen Wafer und einen X-Y-Z-Linearversteller.
15 stellt in der Ansicht von 1 einen weiteren LED-Stapel dar.

Advantageous embodiments of the invention and comparative examples not according to the invention are shown in the drawings and are described below, the same reference numerals denoting the same parts in the various figures, unless otherwise specified.

1 shows schematically an LED stack.
2 represents in the view of 1 illustrates some examples of light of different colors that can be generated by selective energization of a red LED element, a green LED element and a blue LED element.
3 represents in the view of 1 represent different angles in which light rays can propagate within the red LED element, green LED element and blue LED element.
4th represents a schematic picture of a stack of three LED elements.
5 shows a scanning electron microscope (SEM) image of an assembled stack of three LEDs.
6th shows, in a characteristic diagram, reflection spectra of layers of a first distributed Bragg reflector (DBR) layer and a second DBR layer.
7th shows a diagram of a monochromatic emission of blue light from an LED stack and the associated spectrum.
8th shows in a diagram a polychromatic emission of pink light from an LED stack by mixing blue and red emission, together with the associated spectrum.
9 shows in a diagram a range of different colors emitted by an LED stack, together with the associated spectra.
10 shows a schematic perspective image of three red, green and blue microdisplays, respectively.
11 shows a microscope image of a manufactured blue monochromatic microdisplay.
12th shows a schematic image in perspective orthogonal view of an assembled stacked microdisplay.
13th Figure 13 shows a schematic top view image of an assembled stacked microdisplay.
14th Figure 3 illustrates a block diagram table of a laser micromachining system that may include several major components including a high power ultraviolet (UV) laser, a beam expander, a laser line mirror, a focusing lens, a broadband UV mirror, a wafer, and an XYZ stage.
15th represents in the view of 1 represents another stack of LEDs.

Im Folgenden werden einige beispielhafte Verfahren und Systeme beschrieben, die dazu verwendet werden können, eine Festkörper-Lichtquelle anzuwenden und herzustellen, die einen Stapel von lichtemittierenden Dioden (LED) umfasst. Ein Verfahren zu seiner Herstellung wird ebenfalls zur Verfügung gestellt. Eine solche Festkörper-Lichtquelle kann dazu ausgebildet sein, dass sie einzelne Grundfaben des Lichts (z.B. rot, blau und grün) oder Mischfarben, darunter die Farbe Weiß emittiert. Ein solcher LED-Stapel kann gebildet sein aus einer blauen LED, die auf eine grüne LED gestapelt ist, die anschließend auf eine rote LED gestapelt ist. Eine solche Stapelstrategie kann eine optimale Farbmischung gewährleisten. Die drei LED-Elemente können einzeln steuerbar sein. Wenn alle drei leuchten, kann eine optisch gemischte Ausgabe zu einem weißen Licht führen. Monochromatisches Licht kann dadurch erhalten werden, dass nur ein einzelnes LED-Element eines LED-Stapels angeschaltet wird. The following describes some example methods and systems that may be used to employ and manufacture a solid-state light source that includes a stack of light emitting diodes (LED). A method of making it is also provided. Such a solid-state light source can be designed to emit individual basic colors of light (e.g. red, blue and green) or mixed colors, including the color white. Such an LED stack can be formed from a blue LED, which is stacked on a green LED, which is then stacked on a red LED. Such a stacking strategy can ensure optimal color mixing. The three LED elements can be controlled individually. If all three are lit, a visually mixed output can result in a white light. Monochromatic light can be obtained by turning on only a single LED element of an LED stack.

Andere Farben können dadurch abgestimmt werden, dass zwei oder drei LED-Elemente gleichzeitig angeschaltet werden und indem geeignete Vorspannungen eingestellt werden.Other colors can be matched by switching on two or three LED elements at the same time and by setting suitable bias voltages.

Einzelne blaue, grüne, rote LEDs in einer Vorrichtung können einzeln betrieben werden und können die Intensitäten der verschiedenen Farbkomponenten verändern. Die Farben werden jedoch nicht gemischt und bilden daher keine farbabstimmbare Vorrichtung. Echt farbabstimmbare LEDs sind bisher auf dem Markt nicht verfügbar.Individual blue, green, red LEDs in a device can be operated individually and can change the intensities of the various color components. However, the colors are not mixed and therefore do not constitute a color tunable device. True color-adjustable LEDs are not yet available on the market.

In den letzten Jahren wurden halbleiterbasierte Emissionsmikrodisplays unter Verwendung von LED-Materialien aufgezeigt. Aufgrund der monochromatischen Eigenschaft von LED-Wafern können diese Mikrodisplays jedoch nur eine einzige Farbe emittieren. Während es möglich ist, Vollfarbmikrodisplays unter Verwendung eines dreifarbigen Pixels auszubilden, können mehrere Nachteile auftreten. Solche Nachteile können beinhalten (1) alle Nachteile, die mit Leuchtstoffen in Zusammenhang stehen, wie es oben diskutiert wurde, (2) die Komplexität bei der Beschichtung einzelner Pixel mit Leuchtstoffen im Mikrometermaßstab und (3) die Komplexität einer Treiberschaltung.In recent years, semiconductor-based emission micro-displays using LED materials have been demonstrated. However, due to the monochromatic nature of LED wafers, these microdisplays can only emit a single color. While it is possible to form full color microdisplays using a three color pixel, several disadvantages can arise. Such disadvantages can include (1) any of the disadvantages associated with phosphors as discussed above, (2) the complexity of coating individual pixels with micrometer-scale phosphors, and (3) the complexity of a driver circuit.

Eine stapelförmige LED-Konstruktion, wie sie hier diskutiert wird, verwendet keine Farbumwandlung, um weißes Licht zu erzeugen. Jedes LED-Element in einem Stapel kann ein transparentes Material enthalten, um einen Durchtritt von Licht zu ermöglichen. Durch Einsetzen der korrekten LED-Stapelabfolge (das heißt, ein blaues LED-Element über einem grünen LED-Element, gefolgt von einem roten LED-Element an der Unterseite) kann das emittierte Licht durch die obenauf liegenden transparenten Bauelemente mit minimalem Absorptionsverlust transmittiert werden. Aufgrund der Tatsache, dass die LED-Elemente übereinander gestapelt sind, werden die Photonen von den drei LED-Elementen alle aus dem gleichen Fenster emittiert (das heißt, durch das obere blaue LED-Element), so dass die ausgegebene Farbe optisch gut gemischt ist. A stacked LED construction as discussed here does not use color conversion to produce white light. Each LED element in a stack can contain a transparent material to allow light to pass through. By inserting the correct LED stacking sequence (i.e. a blue LED element above a green LED element, followed by a red LED element on the bottom), the emitted light can be transmitted through the transparent components on top with minimal absorption loss. Due to the fact that the LED elements are stacked on top of each other, the photons from the three LED elements are all emitted from the same window (that is, through the top blue LED element) so that the output color is optically well mixed .

Eine Integration eines verteilten Bragg-Reflektors (DBR) zwischen LED-Elementen kann gewährleisten, dass Licht in Richtung zu einem Emissionsfenster emittiert wird, was durch die Eigenschaft der wellenlängenselektiven Reflexion der dielektrischen Spiegel bedingt ist.An integration of a distributed Bragg reflector (DBR) between LED elements can ensure that light is emitted in the direction of an emission window, which is due to the property of wavelength-selective reflection of the dielectric mirrors.

Jedes der LED-Elemente kann mikrobearbeitete gewinkelte Facetten mit beschichteten Metallspiegeln enthalten, um einen Streuverlust von monochromatischem Licht aus den LED-Facetten zu verhindern. Eine solche Ausführung kann auch Probleme in Zusammenhang mit einer Farbumwandlung bei Verwendung von Leuchtstoffen eliminieren, darunter begrenzte Lebensdauer, Stokes-Wellenenergieverlust, geringe Zuverlässigkeit und geringe Lichtausbeute. Durch Vermeidung dieser Nachteile von traditionellen Weißlicht-LED-Elementen, kann das volle Potential von LEDs abgegriffen werden, um eine hohe Quantenausbeute, lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit zu erreichen.Each of the LED elements can include micromachined angled facets with coated metal mirrors to prevent leakage of monochromatic light from the LED facets. Such an implementation can also eliminate problems associated with color conversion when using phosphors, including limited life, Stokes wave energy loss, poor reliability, and poor luminous efficacy. By avoiding these disadvantages of traditional white light LED elements, the full potential of LEDs can be tapped in order to achieve a high quantum yield, long service life and high reliability.

Eine Ausführung kann sich auch auf Vollfarbmikrodisplays unter Verwendung einer ähnlichen Stapelstrategie erstrecken. Zum Beispiel können drei monochromatische Mikrodisplays gut ausgerichtet übereinander gestapelt werden, so dass ein Vollfarbmikrodisplay erzielt wird. Ein blaues Mikrodisplay kann über ein grünes Mikrodisplay gestapelt werden, das wiederum anschließend auf ein rotes Mikrodisplay gestapelt werden kann. Die drei Mikrodisplays können identische Konstruktion und Abmessungen aufweisen, so dass, wenn sie zusammengestapelt sind, die einzelnen Pixel sich überlappen (dies kann z. B. als „Pixelstapel“ bezeichnet werden). Deshalb kann jedes Pixel effektiv ein Bauelement umfassen, das aus drei LED-Elementen besteht, die übereinander gestapelt sind. Durch Steuern der Intensitäten der drei LED-Elemente kann die ausgegebene Farbe des Pixels gesteuert werden. Auf diese Weise kann ein Mikrodisplay mit beliebiger Pixelabmessung und -auflösung bei Vollfarbemission erreicht werden. Implementation may also extend to full color microdisplays using a similar stacking strategy. For example, three monochromatic microdisplays can be stacked on top of each other in a well-aligned manner, so that a full-color microdisplay is achieved. A blue microdisplay can be stacked over a green microdisplay, which in turn can then be stacked on a red microdisplay. The three microdisplays can be of identical construction and dimensions so that when stacked together, the individual pixels will overlap (this can be referred to as a "pixel stack", for example). Therefore, each pixel can effectively comprise a device composed of three LED elements stacked one on top of the other. By controlling the intensities of the three LED elements, the output color of the pixel can be controlled. In this way, a microdisplay with any pixel size and resolution can be achieved with full-color emission.

1 stellt einen LED-Stapel 100 dar. Ein solcher LED-Stapel kann aus einem roten LED-Element 105, einem grünen LED-Element 110 und einem blauen LED-Element 115 gebildet sein. Das rote LED-Element 105 kann Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von ungefähr 650 nm emittieren, das grüne LED-Element 110 kann Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von ungefähr 510 nm emittieren und das blaue LED-Element 115 kann Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von ungefähr 475 nm emittieren. Der LED-Stapel 100 kann einen ersten verteilten Bragg-Reflektor (DBR) 120 umfassen, der an einer Oberkante des roten LED-Elements 105 unter dem grünen LED-Element 110 angeordnet ist. Ein zweiter DBR 125 kann an einer Oberkante des grünen LED-Elements 110 unter dem blauen LED-Element 115 angeordnet sein. Der DBR kann ermöglichen, dass Licht von einer unteren LED hindurchtritt, und kann auch Licht von einer darüber angeordneten LED reflektieren. Zum Beispiel kann Licht vom grünen LED-Element 110 durch den DBR 125 hindurchtreten und ein Licht, das durch das blaue LED-Element 115 nach unten auf eine Oberseite des DBR 125 reflektiert wird, kann in eine Richtung zu einer Oberseite 130 des blauen LED-Elements 115 reflektiert werden. 1 represents an LED stack 100 Such an LED stack can consist of a red LED element 105 , a green LED element 110 and a blue LED element 115 be educated. The red LED element 105 can emit light with a wavelength in a range of approximately 650 nm, the green LED element 110 can emit light with a wavelength in a range of about 510 nm and the blue LED element 115 can emit light with a wavelength in a range of approximately 475 nm. The LED stack 100 can use a first distributed Bragg reflector (DBR) 120 include the one on the top edge of the red LED element 105 under the green LED element 110 is arranged. A second DBR 125 can on an upper edge of the green LED element 110 under the blue LED element 115 be arranged. The DBR can allow light from a lower LED to pass and can also reflect light from an LED above. For example, light can come from the green LED element 110 by the DBR 125 pass through and a light shines through the blue LED element 115 down on a top of the DBR 125 may be reflected in one direction to a top 130 of the blue LED element 115 be reflected.

2 stellt einige Beispiele von Licht unterschiedlicher Farben dar, das durch selektive Energiezufuhr zum roten LED-Element 105, grünen LED-Element 110 und blauen LED-Element 115 erzeugt werden kann. In diesem Beispiel kann ein roter Lichtstrahl 200 durch die rote LED 105 emittiert werden und kann durch den DBR 120, die grüne LED 110, den DBR 125, die blaue LED 115 und durch die Oberseite 130 des blauen LED-Elements 115 laufen. Das grüne LED-Element 110 kann einen grünen Lichtstrahl 205 emittieren, der nach oben durch den DBR 125, die blaue LED 115 und durch die Oberseite 130 des blauen LED-Elements 115 läuft. Das grüne LED-Element kann auch einen zweiten grünen Lichtstrahl 210 erzeugen, der zunächst in eine Richtung zum DBR 120 wandert. Der DBR 120 kann jedoch den zweiten grünen Lichtstrahl 210 in eine Richtung durch den DBR 125, die blaue LED 115 und durch die Oberseite 130 des blauen LED-Elements 115 reflektieren. 2 shows some examples of light of different colors produced by selective energy supply to the red LED element 105 , green LED element 110 and blue LED element 115 can be generated. In this example, a red light beam can be used 200 by the red LED 105 and can be issued by the DBR 120 , the green LED 110 , the DBR 125 who have favourited the blue LED 115 and through the top 130 of the blue LED element 115 to run. The green LED element 110 can be a green beam of light 205 emit that goes up through the DBR 125 who have favourited the blue LED 115 and through the top 130 of the blue LED element 115 runs. The green LED element can also have a second green light beam 210 generate, which initially goes in one direction to the DBR 120 wanders. The DBR 120 however, can use the second green light beam 210 in one direction through the DBR 125 who have favourited the blue LED 115 and through the top 130 of the blue LED element 115 reflect.

Das blaue LED-Element 115 kann einen blauen Lichtstrahl 215 emittieren, der nach oben durch die Oberseite 130 des blauen LED-Elements 115 läuft. Das blaue LED-Element 115 kann auch einen zweiten blauen Lichtstrahl 220 erzeugen, der zunächst in eine Richtung zum DBR 125 läuft. Der DBR 125 kann jedoch den zweiten blauen Lichtstrahl 220 in eine Richtung durch die Oberseite 130 des blauen LED-Elements 115 reflektieren.The blue LED element 115 can be a blue beam of light 215 emit going up through the top 130 of the blue LED element 115 runs. The blue LED element 115 can also use a second blue beam of light 220 generate, which initially goes in one direction to the DBR 125 runs. The DBR 125 however, can use the second blue light beam 220 in one direction through the top 130 of the blue LED element 115 reflect.

Das rote LED-Element 105, das grüne LED-Element 110 und das blaue LED-Element 115 können eine gemeinsame Anode 230 nutzen und können selektiv über ihre eigenen Kathoden mit Energie versorgt werden. Zum Beispiel kann die blaue LED 115 eine erste Kathode 235 nutzen, das grüne LED-Element 110 kann eine zweite Kathode 240 nutzen und das rote LED-Element 105 kann eine dritte Kathode 245 nutzen.The red LED element 105 , the green LED element 110 and the blue LED element 115 can share a common anode 230 and can be selectively supplied with energy via their own cathodes. For example, the blue LED 115 a first cathode 235 use the green LED element 110 can have a second cathode 240 use and the red LED element 105 can have a third cathode 245 to use.

3 stellt verschiedene Winkel dar, in denen sich Lichtstrahlen innerhalb des roten LED-Elements 105, grünen LED-Elements 110 und blauen LED-Elements 115 ausbreiten können. In diesem Beispiel können gewinkelte Facetten oder Wände in jedem roten LED-Element 105, grünen LED-Element 110 und blauen LED-Element 115 mit einem Spiegelmaterial beschichtet sein, um zu gewährleisten, dass Lichtstrahlen nicht an einer Seite eines LED-Elements austreten und stattdessen nach oben durch die Oberseite 130 des blauen LED-Elements 115 gerichtet werden. In diesem Beispiel beinhaltet das rote LED-Element 105 eine erste Spiegelfläche 300, das grüne LED-Element 110 beinhaltet eine zweite Spiegelfläche 305 und das blaue LED-Element 115 beinhaltet eine dritte Spiegelfläche 310. Jede der Spiegelflächen kann mit einem Metall wie Aluminium oder Silber beschichtet sein. 3 represents different angles at which light rays are within the red LED element 105 , green LED element 110 and blue LED element 115 can spread. In this example, angled facets or walls can be used in each red LED element 105 , green LED element 110 and blue LED element 115 be coated with a mirror material to ensure that light rays do not exit one side of an LED element and instead go up through the top 130 of the blue LED element 115 be judged. In this example it includes the red LED element 105 a first mirror surface 300 , the green LED element 110 includes a second mirror surface 305 and the blue LED element 115 includes a third mirror surface 310 . Each of the mirror surfaces can be coated with a metal such as aluminum or silver.

4 stellt ein schematisches Bild eines Stapels von drei LEDs dar. Wie gezeigt ist, ist ein erstes LED-Element 400 sowohl unter einem zweiten LED-Element 405 wie einem dritten LED-Element 410 angeordnet. Mit Bezug zu 1 kann das erste LED-Element 400 dem roten LED-Element 105 entsprechen, das zweite LED-Element 405 kann dem grünen LED-Element 110 entsprechen und das dritte LED-Element 410 kann dem blauen LED-Element 115 entsprechen. 4th Figure 10 is a schematic picture of a stack of three LEDs. As shown, there is a first LED element 400 both under a second LED element 405 like a third LED element 410 arranged. In reference to 1 can be the first LED element 400 the red LED element 105 correspond to the second LED element 405 can the green LED element 110 correspond and the third LED element 410 can the blue led element 115 correspond.

5 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop(REM)-Aufnahme eines zusammengesetzten Stapels von drei LEDs. Wie gezeigt ist, kann der Stapel von drei LEDs ein erstes LED-Element 500 beinhalten, das sowohl unter einem zweiten LED-Element 505 wie einem dritten LED-Element 510 angeordnet ist. 5 shows a scanning electron microscope (SEM) image of an assembled stack of three LEDs. As shown, the stack of three LEDs can be a first LED element 500 include that both under a second LED element 505 like a third LED element 510 is arranged.

6 zeigt Reflexionsspektren von Schichten einer ersten DBR-Schicht (z.B. DBR 120 von 1) und einer zweiten DBR-Schicht (z.B. DBR 125 von 1). Wie gezeigt ist, weist ein Reflexionsspektrum für DBR 120 einen Peak nahe 550 nm auf und ein Reflexionsspektrum für DBR 125 weist einen Peak nahe 470 nm auf. 6th shows reflection spectra of layers of a first DBR layer (e.g. DBR 120 from 1 ) and a second DBR layer (e.g. DBR 125 from 1 ). As shown, it has a reflectance spectrum for DBR 120 has a peak near 550 nm and a reflectance spectrum for DBR 125 has a peak near 470 nm.

7 zeigt monochromatische Emission von blauem Licht 700 aus einem LED-Stapel und das zugehörige Spektrum 705. Wie gezeigt ist, weist das Spektrum eine Peakstrahlungsverteilung um 475 nm auf. 7th shows monochromatic emission of blue light 700 from an LED stack and the associated spectrum 705 . As shown, the spectrum has a peak radiation distribution around 475 nm.

8 zeigt polychromatische Emission von rosa Licht 800 aus einem LED-Stapel durch Mischen von blauer und roter Emission, zusammen mit dem zugehörigen Spektrum 805. Wie gezeigt ist, weist das Spektrum eine Peakstrahlungsverteilung um 475 nm und 650 nm auf. 8th shows polychromatic emission of pink light 800 from an LED stack by mixing blue and red emission, together with the associated spectrum 805 . As shown, the spectrum has a peak radiation distribution around 475 nm and 650 nm.

9 zeigt einen Bereich von unterschiedlichen Farben, die von einem LED-Stapel emittiert werden, zusammen mit den zugehörigen Spektren. Wie gezeigt ist, können mehrere unterschiedliche Farben des Lichts emittiert werden, und die verschiedenen Farben können aus mehreren Peakstrahlungsverteilungen zusammengesetzt sein. Es werden mehrere Farben emittiert, darunter Türkis in Beispiel (a), Marineblau in Beispiel (b), Dunkelviolett in Beispiel (c), Hellviolett in Beispiel (d), Gelb in Beispiel (e), Rotbraun in Beispiel (f) und Schwarz in Beispiel (g). 9 shows a range of different colors emitted from an LED stack, along with the associated spectra. As shown, several different colors of light can be emitted, and the different colors can be composed of several peak radiation distributions. Multiple colors are emitted, including turquoise in example (a), navy blue in example (b), dark purple in example (c), light purple in example (d), yellow in example (e), reddish brown in example (f), and black in example (g).

10 zeigt ein schematisches Bild von roten, grünen und blauen Mikrodisplays. Wie dargestellt ist, kann ein rotes Mikrodisplay 1000 unter einem grünen Mikrodisplay 1005 angeordnet sein, das wiederum unter einem blauen Mikrodisplay 1010 angeordnet sein kann. 10 shows a schematic picture of red, green and blue microdisplays. As shown, a red microdisplay 1000 under a green microdisplay 1005 be arranged, which in turn under a blue microdisplay 1010 can be arranged.

11 zeigt eine Mikroskopaufnahme 1100 eines gefertigten blauen monochromatischen Mikrodisplays. 11 shows a micrograph 1100 of a manufactured blue monochromatic microdisplay.

12 zeigt ein schematisches Bild in orthogonaler Ansicht eines zusammengesetzten gestapelten Mikrodisplays. Wie dargestellt ist, kann ein rotes Mikrodisplay 1200 unter einem grünen Mikrodisplay 1205 angeordnet sein, das wiederum unter einem blauen Mikrodisplay 1210 angeordnet sein kann. 12th Figure 12 shows a schematic image in orthogonal view of an assembled stacked microdisplay. As shown, a red microdisplay 1200 under a green microdisplay 1205 be arranged, which in turn under a blue microdisplay 1210 can be arranged.

13 zeigt ein schematisches Bild in Draufsicht eines zusammengesetzten gestapelten Mikrodisplays 1300. 13th Figure 13 shows a schematic top view image of an assembled stacked microdisplay 1300 .

Eine Ausführung einer Vorrichtung, die gestapelte LEDs enthält, wie sie hier diskutiert werden, kann Nachteile, die mit herkömmlichen, mit Leuchtstoff beschichteten weißen LEDs in Zusammenhang stehen, eliminieren oder wesentlich reduzieren, wodurch das volle Potential von LEDs abgegriffen werden kann, um eine Festkörper-Beleuchtung auszubilden. Erstens führt eine Eliminierung der Notwendigkeit für Farbumwandlungsmittel, wie Leuchtstoffen, zu einer verlustlosen Weißlichterzeugung. Zweitens ist die Lebensdauer einer herkömmlichen Weißlicht-LED durch die Lebensdauer von Farbumwandlungsmitteln, wie Leuchtstoffen, begrenzt. Durch Vermeiden der Verwendung von Leuchtstoffen ist hingegen die Lebensdauer einer Weißlicht-LED einfach die Lebensdauer der einzelnen LEDs in dem LED-Stapel, von denen bekannt ist, dass sie verlängerte Lebensdauern aufweisen und äußerst zuverlässig sind.An embodiment of a device including stacked LEDs, as discussed herein, can eliminate or substantially reduce disadvantages associated with conventional fluorescent coated white LEDs, whereby the full potential of LEDs can be tapped into a solid -Train lighting. First, eliminating the need for color converting agents such as phosphors results in lossless white light production. Second, the life of a conventional white light LED is limited by the life of color converting agents such as phosphors. Conversely, by avoiding the use of phosphors, the life of a white light LED is simply the life of the individual LEDs in the LED stack that are known to have extended lives and are extremely reliable.

Drittens können alle anderen Nachteile in Zusammenhang mit Farbumwandlungsmitteln, wie begrenzte Lebensdauer, Stokes-Wellenenergieverlust, geringe Zuverlässigkeit und geringe Lichtausbeute, eliminiert werden. Viertens wird das Problem der Lichtabsorption durch darunter liegende Bauelemente gelöst durch das Einsetzen eines verteilten Bragg-Reflektors (DBR) (z. B. DBR 120 und 125 von 1) zwischen zwei LEDs, der Licht von der oberen LED reflektiert, jedoch ermöglicht, dass Licht von der unteren LED transmittiert wird. Fünftens wird das Problem eines potentiellen Lichtaustritts aus Facetten der Bauelemente, was ansonsten die Emissionshomogenität beeinflussen könnte, durch das Einführen von spiegelbeschichteten gewinkelten Facetten gelöst, so dass sich seitlich ausbreitendes Licht reflektiert und zur Emission aus der Oberseite des Bauelements umgeleitet wird. Schließlich gewährleistet die Stapeltopographie eine optische Farbmischung, was eine gleichmäßige polychromatische Lichtemission bietet.Third, all of the other disadvantages associated with color conversion agents such as limited life, Stokes wave energy loss, poor reliability, and poor light output can be eliminated. Fourth, the problem of light absorption by underlying components is solved by using a distributed Bragg reflector (DBR) (e.g. DBR) 120 and 125 from 1 ) between two LEDs that reflects light from the top LED but allows light to be transmitted from the bottom LED. Fifth, the problem of a potential light exit from facets of the components, which could otherwise affect the emission homogeneity, is solved by introducing mirror-coated angled facets so that laterally propagating light is reflected and redirected for emission from the top of the component. Finally, the stack topography ensures optical color mixing, which offers uniform polychromatic light emission.

Grüne, blaue und rote LEDs können unter Verwendung einer standardgemäßen LED-Verarbeitungssequenz gefertigt werden, die Photolithographie, Trockenätzen und Metallabscheidung beinhaltet. Grüne und blaue LEDs können unter Verwendung eines LED-Wafers gefertigt werden, wobei InGaN-Material epitaktisch durch MOCVD auf einem transparenten Saphirsubstrat aufgewachsen ist. Eine Reihe von Multi-Quantentöpfen sind in der LED-Struktur eingebettet, um die gewünschte Emissionswellenlänge (durch Maßschneidern der Bandlücke) zu erzielen. Eine rote LED kann unter Verwendung eines LED-Wafers gefertigt werden, wobei AlInGaP-Material epitaktisch durch MOCVD auf einem nicht transparenten GaAs-Substrat aufgewachsen wird.Green, blue, and red LEDs can be fabricated using a standard LED processing sequence that includes photolithography, dry etching, and metal deposition. Green and blue LEDs can be fabricated using an LED wafer with InGaN material epitaxially grown by MOCVD on a transparent sapphire substrate. A number of multi-quantum wells are embedded in the LED structure to achieve the desired emission wavelength (by tailoring the band gap). A red LED can be fabricated using an LED wafer, with AlInGaP material being epitaxially grown by MOCVD on a non-transparent GaAs substrate.

Eine grüne oder blaue LED kann dadurch gefertigt werden, dass zunächst eine Mesaregion einer LED unter Verwendung von Photolithographie definiert wird. Eine Schicht aus Photoresist wird durch Aufschleuderbeschichtung auf einen LED-Wafer aufgebracht und kann durch eine Photomaske hindurch mit dem vordefinierten Muster auf einer Maskenjustiereinheit mit Ultraviolettlicht bestrahlt werden. Die bestrahlte Probe kann in einem Photoresistentwickler entwickelt werden. Das erforderliche Muster wird auf die Probe übertragen. Anschließend kann eine Mesastruktur unter Verwendung von induktiv gekoppeltem Plasma(ICP)-Trockenätzen mit gasförmigem Cl₂ und BCl₃ gebildet werden. Anschließend wird GaN-Material bei einer typischen Rate von 500 nm/min weggeätzt.A green or blue LED can be manufactured by first defining a mesa region of an LED using photolithography. A layer of photoresist is spin-coated onto an LED wafer and can be exposed to ultraviolet light through a photomask with the predefined pattern on a mask alignment unit. The irradiated sample can be developed in a photoresist developer. The required pattern will be on transfer the sample. A mesa structure can then be formed using inductively coupled plasma (ICP) dry etching with gaseous Cl ₂ and BCl ₃ . Then the GaN material is etched away at a typical rate of 500 nm / min.

Ein weiterer Photolithographieschritt kann eine aktive Region auf einer LED definieren. Ein Wafer kann unter Verwendung des gleichen ICP-Rezepts erneut geätzt werden, wobei ein Abschnitt der GaN-Region vom n-Typ für einen anschließenden n-Kontakt freigelegt wird. Die Stromverteilungsregion kann durch Photolithographie definiert werden. Eine Stromverteilungsschicht, die 5 nm Au und 5 nm Ni umfasst, wird durch Elektronenstrahlaufdampfen abgeschieden. Eine Metallschicht kann dann in Aceton abgehoben werden, so dass eine Metalldoppelschicht in einer Stromverteilungsregion verbleibt. Diese Schicht kann als Kontakt vom p-Typ in dem Bauelement dienen.Another photolithography step can define an active region on an LED. A wafer can be re-etched using the same ICP recipe, exposing a portion of the n-type GaN region for subsequent n-contact. The current distribution region can be defined by photolithography. A current distribution layer comprising 5 nm Au and 5 nm Ni is deposited by electron beam evaporation. A metal layer can then be lifted off in acetone, leaving a metal bilayer in a current distribution region. This layer can serve as a p-type contact in the device.

Die Kontaktanschlussregionen vom n-Typ und p-Typ können durch Photolithographie definiert werden. Eine Ti/Al-Metalldoppelschicht mit Dicken von 20 nm bzw. 200 nm können durch Elektronenstrahlverdampfen abgeschieden werden. Eine Metallschicht kann in Aceton abgelöst werden, so dass Metall nur in Kontaktanschlussregionen verbleibt, die als Kontaktanschlüsse vom n-Typ und p-Typ dienen. Eine Saphirfläche des Wafers kann in seiner Dicke auf ungefähr 100 Mikrometer reduziert werden, so dass die Wärmeableitung verbessert wird, und poliert werden, um die Lichttransmission durch ein Saphirsubstrat zu verstärken.The n-type and p-type contact terminal regions can be defined by photolithography. A Ti / Al metal double layer with thicknesses of 20 nm or 200 nm can be deposited by electron beam evaporation. A metal layer can be peeled off in acetone so that metal remains only in contact terminal regions that serve as n-type and p-type contact terminals. A sapphire surface of the wafer can be reduced in thickness to approximately 100 micrometers to improve heat dissipation and polished to increase light transmission through a sapphire substrate.

Eine rote LED wird durch Abscheiden von Au-Kontakten vom p-Typ auf der oberen LED-Fläche und Au-Kontakten vom n-Typ auf der unteren GaAs-Fläche hergestellt. Im Gegensatz zu einer LED auf Basis von GaN ist eine vertikale Stromleitung möglich, da GaAs ein elektrischer Leiter ist.A red LED is made by depositing p-type Au contacts on the top LED surface and n-type Au contacts on the lower GaAs surface. In contrast to an LED based on GaN, vertical power conduction is possible because GaAs is an electrical conductor.

Ein DBR kann gegebenenfalls oben auf LED-Wafern aufgewachsen sein. Ein DBR kann einen wellenlängenselektiven Spiegel umfassen, der Licht bestimmter Wellenlängen in einem Reflexionsband reflektieren kann und Licht anderer Wellenlängen im Transmissionsband transmittieren kann, wobei er Paare von gegenüberliegenden dielektrischen Materialien mit einem Unterschied im Brechungsindex umfasst. Die Charakteristiken des DBR hängen von den Designparametern ab, darunter die Wahl der dielektrischen Materialien und ihrer Dicke.A DBR can optionally be grown on top of LED wafers. A DBR can include a wavelength selective mirror that can reflect light of certain wavelengths in a reflection band and transmit light of other wavelengths in the transmission band, comprising pairs of opposing dielectric materials with a difference in refractive index. The characteristics of the DBR depend on the design parameters, including the choice of dielectric materials and their thickness.

Im Falle eines Rot-Grün-Blau(„RGB“)-Stapels können CBR-Schichten oben auf einem grünen LED-Wafer und roten LED-Wafer aufwachsen. Ein DBR über der grünen LED kann blaues Licht von einer darüber liegenden blauen LED reflektieren, während er ermöglicht, dass grünes Licht und rotes Licht von einer grünen bzw. roten LED hindurchtritt. Ein DBR über der roten LED kann grünes Licht von der darüber liegenden grünen LED reflektieren, während er ermöglicht, dass rotes Licht von der roten LED hindurchtritt.In the case of a red-green-blue (“RGB”) stack, CBR layers can grow on top of a green LED wafer and a red LED wafer. A DBR above the green LED can reflect blue light from an overlying blue LED while allowing green light and red light from a green and red LED, respectively, to pass through. A DBR above the red LED can reflect green light from the green LED above, while allowing red light from the red LED to pass through.

Wafer können unter Verwendung eines maßgefertigten Lasermikrobearbeitungssystems vereinzelt werden. Es können einzelne LED-Chips mit gewinkelten Facetten in gewünschten Abmessungen erhalten werden.Wafers can be diced using a custom laser micromachining system. Individual LED chips with angled facets can be obtained in the desired dimensions.

14 stellt ein Laser-Mikrobearbeitungssystem 1400 dar, das mehrere Hauptkomponenten umfassen kann, darunter einen Ultraviolett(UV)-Laser 1405 hoher Leistung, einen Strahlaufweiter 1410, einen Laserlinienspiegel 1415, eine fokussierende UV-Objektivlinse 1420, einen Breitband-UV-Kippspiegel 1425, einen Wafer 1430 und einen X-Y-Linearversteller 1435. Der Wafer 1430 kann vom X-Y-Linearversteller 1435 verschoben werden, während ein fokussierter Laserstrahl auf den Wafer 1430 eingestrahlt wird. 14th represents a laser micromachining system 1400 which may comprise several major components including an ultraviolet (UV) laser 1405 high performance, a beam expander 1410 , a laser line mirror 1415 , a focusing UV objective lens 1420 , a broadband UV tilting mirror 1425 , a wafer 1430 and an XY linear stage 1435 . The wafer 1430 can from the XY linear stage 1435 be moved while a focused laser beam hits the wafer 1430 is irradiated.

Bei einer herkömmlichen Lasermikrobearbeitung fokussiert eine Fokussierlinse einen Laserstrahl auf einen kleinen Fleck, der vertikal auf einen Wafer fällt, der mikrobearbeitet werden soll. Gemäß einer hier vorgestellten Ausführung ist jedoch ein Breitband-UV-Spiegel zwischen eine Fokussierlinse und einen Wafer eingesetzt. Der Spiegel ist in einem schrägen Winkel platziert, was den Zweck hat, den Strahl so vom Spiegel weg zu reflektieren, dass der fokussierte Strahl in einem beliebigen Schrägwinkel auf den Wafer einfallen kann. Der Winkel kann durch Drehen des Spiegels eingestellt werden. Als Folge davon können die vereinzelten Bauelementchips gewinkelte Facetten mit beliebigen Schrägwinkeln aufweisen.In conventional laser micromachining, a focusing lens focuses a laser beam on a small spot that falls vertically on a wafer to be micromachined. According to an embodiment presented here, however, a broadband UV mirror is inserted between a focusing lens and a wafer. The mirror is placed at an oblique angle, the purpose of which is to reflect the beam away from the mirror in such a way that the focused beam can strike the wafer at any oblique angle. The angle can be adjusted by rotating the mirror. As a result, the separated component chips can have angled facets with any desired oblique angles.

Ein Zusammenbau eines LED-Stapels kann mit einer Chipverbindung einer roten LED mit einem TO-Gehäuse unter Verwendung eines thermisch leitenden und elektrisch leitenden Silberepoxids beginnen. Eine grüne LED wird oben auf der roten LED angebracht, wobei eine Schicht UV-Klebstoff (z.B. Norland 63) aufgetragen wird, während die obere Bondkontaktstelle vom p-Typ der roten LED freigelegt ist. Sobald die Bauelemente ausgerichtet sind, kann die Anordnung unter UV-Bestrahlung ausgehärtet werden.An assembly of an LED stack can begin with a chip connection of a red LED to a TO housing using a thermally conductive and electrically conductive silver epoxy. A green LED is placed on top of the red LED, with a layer of UV glue (e.g. Norland 63 ) is applied while the top p-type bond pad of the red LED is exposed. As soon as the components are aligned, the arrangement can be cured under UV radiation.

Eine blaue LED kann dann oben auf der Anordnung angebracht werden, wobei gewährleistet wird, dass die Bondkontaktstellen der darunter liegenden Bauelemente frei liegen. Wieder kann ein UV-Klebstoff zwischen den LED-Chips verwendet werden. Ein LED-Stapel kann durch Bestrahlung mit UV-Licht in der Position fixiert werden.A blue LED can then be attached to the top of the arrangement, ensuring that the bond contact points of the components below are exposed. Again, a UV glue can be used between the LED chips. An LED stack can be fixed in position by exposure to UV light.

Ein LED-Stapel kann umgekehrt werden und ein Metallspiegel, typischerweise unter Verwendung von Aluminium oder Silber, wird durch Elektronenstrahlverdampfen oder Sputtern aufgetragen. Der Metallspiegel wird auf gewinkelte Facetten von Chips in einem Stapel aufgebracht. Ein solcher Spiegel kann eine Lichtausbreitung durch die Facetten verhindern.An LED stack can be inverted and a metal mirror, typically using aluminum or silver, is deposited by electron beam evaporation or sputtering. The metal mirror is placed on angled facets of chips in a stack. Such a mirror can prevent light from spreading through the facets.

Eine Lichtemission aus allen drei Chips kann durch die obere blaue LED emittiert werden. Dies ist dadurch möglich, dass die obere blaue LED für grünes und rotes Licht transparent sein kann. Dies folgt den Regeln der Lichtabsorption. Lichtemission nach unten, das heißt Lichtausbreitung zu den unteren LEDs, kann aufgrund der vorhandenen DBR-Schichten verhindert werden. Als Folge davon wird der optische Verlust minimiert. Eine Lichtemission von den Seitenfacetten wird aufgrund der spiegelbeschichteten gewinkelten Facetten ebenso verhindert, die dazu dienen, sich seitlich ausbreitendes Licht nach oben zu reflektieren.Light emission from all three chips can be emitted through the top blue LED. This is possible because the upper blue LED can be transparent for green and red light. This follows the rules of light absorption. Downward light emission, i.e. light propagation to the lower LEDs, can be prevented due to the existing DBR layers. As a result, the optical loss is minimized. Light emission from the side facets is also prevented due to the mirror-coated angled facets, which serve to reflect laterally propagating light upwards.

Es können fünf Drahtbondverbindungen erforderlich sein, um eine elektrische Verbindung zu den Chips auszubilden, darunter die p-Kontaktstelle der roten LED und die p- und n- Kontaktstellen der grünen und blauen LEDs. Die n-Kontaktstelle der roten LED kann unter Verwendung des elektrisch leitenden Silberklebstoffs verbunden werden. Solche n-Kontaktstellen können miteinander verbunden werden, so dass sie eine gemeinsame Anode ausbilden. Schließlich wird ein Bauelement mit vier Anschlussstellen erhalten, das eine gemeinsame Anode und drei Kathoden für die rote, grüne bzw. blaue LED umfasst.It may take five wire bonds to form an electrical connection to the chips, including the p-pad of the red LED and the p- and n-pads of the green and blue LEDs. The n-junction of the red LED can be connected using the electrically conductive silver adhesive. Such n-contact points can be connected to one another so that they form a common anode. Finally, a component with four connection points is obtained which comprises a common anode and three cathodes for the red, green and blue LED, respectively.

Durch Anlegen einer Vorspannung an eine einzelne Kathode wird ein einzelnes Element angeschaltet und der gesamte Stapel emittiert monochromatisches Licht. Polychromatisches Licht kann dadurch emittiert werden, dass eine Vorspannung an mehr als eine Kathode angelegt wird. Die Emissionsfarbe kann durch Einstellen der zugehörigen Kathoden abgestimmt werden. Durch Einstellen der richtigen Komponenten (z.B. jeweilige Intensität und Menge) von roter, grüner und blauer Farbe kann eine Weißlichtemission erreicht werden.By applying a bias voltage to a single cathode, a single element is turned on and the entire stack emits monochromatic light. Polychromatic light can be emitted by applying a bias voltage to more than one cathode. The emission color can be adjusted by adjusting the associated cathodes. By setting the correct components (e.g. respective intensity and quantity) of red, green and blue colors, white light emission can be achieved.

Dies kann eine verlustfreie Methode zur Erzeugung von Weißlicht sein, die eine Addition (Summierung) von Spektralkomponenten aus überlappenden monochromatischen Elementen umfasst.This can be a lossless method of generating white light that involves adding (summing) spectral components from overlapping monochromatic elements.

Zweidimensionale Felder von lichtemittierenden Mikrodioden mit monochromatischer Emission können gestapelt werden, um zweidimensionale Vollfarbmikrodisplays auszubilden. Monochromatische 2-D-Mikrodisplays können unter Verwendung von blauen, grünen und roten LED-Wafern gefertigt werden. Die LED-Felder können monolithische LED-Felder sein.Two-dimensional arrays of light emitting microdiodes with monochromatic emission can be stacked to form two-dimensional full color microdisplays. Monochromatic 2-D microdisplays can be fabricated using blue, green and red LED wafers. The LED fields can be monolithic LED fields.

Die Auslegung einer x-mal-y-Anordnung kann auf einem Matrix-Adressierschema basieren. Die Anordnung kann x Spalten beinhalten, die die Basis der Anordnung bilden, mit einer Anzahl y von Mikro-LED-Elementen (mit Mikrometerabmessungen), die entlang jeder Spalte gleichmäßig verteilt sind.The design of an x-by-y arrangement can be based on a matrix addressing scheme. The arrangement may include x columns, which form the base of the arrangement, with y number of micro-LED elements (with micrometer dimensions) evenly distributed along each column.

Daher können sich Bauelemente auf einer Spalte eine gemeinsame Region vom n-Typ und dadurch eine gemeinsame Elektrode vom n-Typ teilen. Regionen vom p-Typ oben auf jeder Mikro-LED können durch Metallleitungen, die über die Spalten verlaufen, miteinander verbunden sein. Eine Gesamtanzahl von Kontaktanschlüssen beträgt damit x+y, viel weniger, als wenn jedes Pixel mit seinen eigenen Elektroden ausgerüstet wäre (x·y).Therefore, devices on a column can share a common n-type region and thereby a common n-type electrode. P-type regions on top of each micro-LED can be interconnected by metal lines running across the columns. A total number of contact connections is therefore x + y, much less than if each pixel were equipped with its own electrodes (x · y).

Spalten und Mikro-LED-Pixel werden durch induktiv gekoppeltes Plasma(ICP)-Ätzen gebildet. Die Bearbeitungsbedingungen sind so gewählt, dass Mesastrukturen mit Seitenwänden geätzt werden, die eine Neigung zur Vertikalen von 30° bis 45° aufweisen. Eine SiO₂-Schicht von 40 nm kann durch Elektronenstrahlverdampfen abgeschieden werden, um die n-dotierten und p-dotierten Regionen zu isolieren.Columns and micro-LED pixels are formed by inductively coupled plasma (ICP) etching. The processing conditions are chosen so that mesa structures are etched with side walls that are inclined to the vertical by 30 ° to 45 °. A _{40 nm SiO 2} layer can be deposited by electron beam evaporation to isolate the n-doped and p-doped regions.

Eine obere planare Fläche jedes einzelnen Pixels kann anschließend zur Kontaktausbildung unter Anwendung eines Ablöseprozesses freigelegt werden. Durch Ablösen unter Anwendung einer Elektronenstrahlverdampfung können Ti/Al (20/200 nm) und Ni/Au (30/30 nm) als Ohmsche Kontakte vom n-Typ und p-Typ abgeschieden werden. Kontakte können einem schnellen thermischen Tempern (RTA) bei 550°C für 5 min in einer Stickstoffumgebung unterzogen werden. Solche Metallzwischenverbindungen können die Seitenwände von Mikro-LED-Pixeln bedecken, um zu gewährleisten, dass Licht nur durch die Oberseite emittiert wird.A top planar surface of each individual pixel can then be exposed for contact formation using a peeling process. By peeling using electron beam evaporation, Ti / Al (20/200 nm) and Ni / Au (30/30 nm) can be deposited as n-type and p-type ohmic contacts. Contacts can be subjected to a rapid thermal anneal (RTA) at 550 ° C for 5 minutes in a nitrogen environment. Such metal interconnects can cover the side walls of micro-LED pixels to ensure that light is only emitted through the top.

Ein Vollfarbmikrodisplay kann durch Stapeln eines blauen Mikrodisplays auf ein grünes Mikrodisplay, gefolgt vom Stapeln auf ein rotes LED-Display aufgebaut werden. Rote, grüne und blaue Mikrodisplays können so ausgelegt sein, dass ihre Pixel ausgerichtet werden können, aber ihre Bondkontaktstellen an unterschiedlichen Positionen liegen.A full color microdisplay can be built by stacking a blue microdisplay on top of a green microdisplay followed by stacking on top of a red LED display. Red, green, and blue microdisplays can be designed so that their pixels can be aligned, but their bond pads are in different positions.

Ein rotes Mikrodisplay kann durch Chip-Bonden an eine geeignete Keramikbaugruppe angebracht werden. Ein grünes Mikrodisplay kann oben auf dem roten Mikrodisplay angebracht werden, indem eine Schicht von UV-Klebstoff (Norland 63) aufgetragen wird, während die Bondkontaktstellen des roten Mikrodisplays freigelegt sind. Sobald die einzelnen Pixel ausgerichtet sind, kann die Anordnung unter UV-Bestrahlung ausgehärtet werden.A red microdisplay can be attached to a suitable ceramic assembly by chip bonding. A green microdisplay can be placed on top of the red microdisplay by applying a layer of UV adhesive (Norland 63) while exposing the red microdisplay bond pads. As soon as the individual pixels are aligned, the arrangement can be cured under UV radiation.

Ein blaues Mikrodisplay kann oben auf der Anordnung angebracht werden, wodurch gewährleistet ist, dass die Bondkontaktstellen der darunter liegenden Bauelemente freigelegt werden können. Wieder kann zwischen den LED-Chips ein UV-Klebstoff verwendet werden.A blue microdisplay can be attached to the top of the arrangement, which ensures that the bond contact points of the components below can be exposed. Again, a UV glue can be used between the LED chips.

Ein LED-Stapel kann durch Bestrahlung unter UV-Licht in seiner Position fixiert werden. Bondkontaktstellen können durch Drahtbonden mit der Baugruppe verbunden werden. Das gesamte Bauelement kann zum Betrieb mit einem geeigneten externen Matrixtreiber verbunden werden. Pixel können so angesteuert werden, dass sie eine beliebige Farbe im sichtbaren Spektrum emittieren.An LED stack can be fixed in its position by exposure to UV light. Bond contact points can be connected to the assembly by wire bonding. The entire component can be connected to a suitable external matrix driver for operation. Pixels can be controlled in such a way that they emit any color in the visible spectrum.

15 stellt einen LED-Stapel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Mit Bezug zu 15 wird Licht zum Zwecke der Gleichförmigkeit durch gestapelte Elemente emittiert. Ähnlich wie die Stapel von drei LEDs im oben diskutierten LED-Design ist eine rote LED 1505 auf der Unterseite und eine blaue LED 1510 auf der Oberseite gestapelt. Für die Ausführungsform, wie sie in 15 vorgestellt ist, ist das mittlere grüne LED-Element weggelassen. Stattdessen wird die Erzeugung von grünem Licht unter Verwendung von grün fluoreszierenden Mikrosphären 1515 erreicht, die auf der blauen LED 1510 angeordnet sind. In einer anderen Ausführungsform können Leuchtstoffe oder Quantendots verwendet werden, um die anregbaren grünen Wellenlängen bereitzustellen. Mit zwei gestapelten LEDs anstelle von drei gestapelten LEDs ist das Zusammensetzen einfacher und die Wärmeableitung kann verbessert werden. Außerdem kann die Anzahl von oberen Drahtbondverbindungen von fünf oberen Drahtverbindungen auf drei obere Drahtverbindungen verringert werden. Dementsprechend kann das Hybridbauelement leichter zusammengesetzt werden, weist eine bessere Wärmeableitungsfähigkeit auf und kann aufgrund der Verringerung der oberen Drahtverbindungen leichter gepackt werden. Es kann ein gewisser Energieverlust auftreten, aber die blaue LED unter den grün fluoreszierenden Mikrosphären kann eine grüne Fluoreszenz wirksam anregen, was den Energieverlust minimiert. 15th FIG. 10 illustrates an LED stack in accordance with an embodiment of the invention. Referring to FIG 15th light is emitted through stacked elements for uniformity. Similar to the stacks of three LEDs in the LED design discussed above, a red LED is 1505 on the bottom and a blue LED 1510 stacked on top. For the embodiment as shown in 15th is presented, the middle green LED element is omitted. Instead, green light is generated using green fluorescent microspheres 1515 achieved that on the blue LED 1510 are arranged. In another embodiment, phosphors or quantum dots can be used to provide the stimulable green wavelengths. With two stacked LEDs instead of three stacked LEDs, assembling is easier and heat dissipation can be improved. In addition, the number of top wire bonds can be reduced from five top wire connections to three top wire connections. Accordingly, the hybrid device can be assembled more easily, has better heat dissipation capability, and can be more easily packaged due to the reduction in the upper wire connections. Some energy loss may occur, but the blue LED under the green fluorescent microspheres can effectively excite green fluorescence, which minimizes energy loss.

Eine Ausführung kann sich unter Verwendung einer ähnlichen Strategie auch auf Vollfarbmikrodisplays erstrecken. Zum Beispiel können zwei monochromatische Mikrodisplays gut ausgerichtet übereinandergestapelt sein, wobei gefärbte fluoreszierende Mikrosphären auf dem oberen Mikrodisplay angeordnet sind. Ein blaues Mikrodisplay kann oben auf ein rotes Mikrodisplay gestapelt sein, und grün fluoreszierende Mikrosphären können auf dem blauen Mikrodisplay vorgesehen sein. Die grün fluoreszierenden Mikrosphären können auf dem blauen Mikrodisplay vorgesehen werden, bevor das blaue Mikrodisplay oben auf das rote Mikrodisplay gestapelt wird. Die beiden Mikrodisplays können identische Konstruktion und Abmessungen aufweisen, so dass, wenn sie zusammengestapelt sind, die einzelnen Pixel einander überlappen.Implementation can extend to full color microdisplays using a similar strategy. For example, two monochromatic microdisplays can be stacked one on top of the other in good alignment with colored fluorescent microspheres placed on the top microdisplay. A blue microdisplay can be stacked on top of a red microdisplay, and green fluorescent microspheres can be provided on the blue microdisplay. The green fluorescent microspheres can be provided on the blue microdisplay before the blue microdisplay is stacked on top of the red microdisplay. The two microdisplays can have identical construction and dimensions so that when they are stacked together, the individual pixels overlap one another.

Gemäß einer Ausführung können eine rote LED und eine blaue LED unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Prozessablaufs gefertigt werden. Ein DBR kann ebenfalls auf der Oberseite der LED-Wafer aufgewachsen werden. In einer Ausführung ist der DBR 1520 auf der Oberseite der roten LED 1505 aufgewachsen, so dass er blaues Licht von der oberen blauen LED 1510 reflektiert, während er ermöglicht, dass rotes Licht von der roten LED 1505 hindurchtritt. In einer anderen Ausführung ist der DBR 1530 auch auf der Oberseite der blauen LED 1510 aufgewachsen, so dass er grünes Licht von den grün fluoreszierenden Mikrosphären reflektiert.According to one embodiment, a red LED and a blue LED can be fabricated using any suitable process flow. A DBR can also be grown on top of the LED wafer. In one implementation, the DBR is 1520 on top of the red LED 1505 grown up so he got blue light from the top blue led 1510 while it reflects red light from the red LED 1505 passes through. In another implementation, the DBR is 1530 also on top of the blue LED 1510 grew up reflecting green light from the green fluorescent microspheres.

Ein Zusammenbau des Hybrid-LED-Stapels kann durch Anbringen einer blauen LED auf einer ausgewählten roten LED unter Verwendung beispielsweise einer Schicht von UV-Klebstoff beginnen, während eine obere Bondkontaktstelle vom p-Typ der roten LED freigelegt ist. Für Ausführungen, bei denen die LEDs gewinkelte Facetten umfassen, kann der Stapel von roter LED/blauer LED umgekehrt sein und ein Metallspiegel kann auf die gewinkelten Facetten der Chips in dem Stapel aufgetragen sein. Die grün fluoreszierenden Mikrosphären können gleichmäßig auf die Oberseite der blauen LED aufgetragen sein.Assembly of the hybrid LED stack can begin by mounting a blue LED on a selected red LED using, for example, a layer of UV glue while exposing a top p-type bond pad of the red LED. For implementations where the LEDs include angled facets, the red LED / blue LED stack can be inverted and a metal mirror can be applied to the angled facets of the chips in the stack. The green fluorescent microspheres can be applied evenly to the top of the blue LED.

Beispiele von fluoreszierenden Mikrosphären, die verwendet werden können, umfassen Mikrosphären wie sie von Duke Scientific Corporation und Merck Estapor erhältlich sind. Diese fluoreszierenden Mikrosphären sind typischerweise in deionisiertem (DI) Wasser suspendiert, und ihre Abmessungen liegen im Bereich von einigen zehn Nanometern bis einigen zehn Mikrometern im Durchmesser. Die Mikrosphären können in einer kugelförmigen Gestalt und gleichmäßigen Abmessungen bereitgestellt werden.Examples of fluorescent microspheres that can be used include microspheres such as those available from Duke Scientific Corporation and Merck Estapor. These fluorescent microspheres are typically suspended in deionized (DI) water and their dimensions range from several tens of nanometers to several tens of micrometers in diameter. The microspheres can be provided in a spherical shape and uniform dimensions.

Um die Mikrosphären gleichförmig auf die Oberfläche der blauen LED aufzutragen, wird die Mikrosphärensuspension unter Verwendung eines Tropfenzählers, einer Spritze oder Pipette auf die blaue LED aufgebracht.To apply the microspheres uniformly to the surface of the blue LED, the microsphere suspension is applied to the blue LED using a dropper, syringe, or pipette.

Die Mikrosphären können durch Aufschleuderbeschichtung gleichförmig über die blaue LED verteilt werden, wobei ein Aufschleudereinheit verwendet wird. Es können Rotationsgeschwindigkeiten von 1-5 Upm für diesen Prozess eingesetzt werden. Die Mikrosphären können auch durch Kippen verteilt werden. Zum Beispiel kann das Bauelement nach Auftragen der Mikrosphärensuspension auf den LED-Chip in einem Winkel von ungefähr 45 Grad zur Vertikalen gekippt werden.The microspheres can be evenly distributed over the blue LED by spin coating using a spin coating. Rotation speeds of 1-5 rpm can be used for this process. The microspheres can also be distributed by tilting. For example, after the microsphere suspension has been applied to the LED chip, the component can be tilted at an angle of approximately 45 degrees to the vertical.

Die Dicke der Mikrosphärenschicht kann auf einige Monoschichten gesteuert werden. Dies ist durch die größeren Abmessungen (einige hundert Nanometer bis Mikrometer Durchmesser) von fluoreszierenden Mikrosphären im Vergleich zu Leuchtstoffen bedingt. Durch Ausbilden eines dünnen Mikrosphärenüberzugs (z.B. nicht mehr als einige Monoschichten) organisieren sich die Mikrosphären selbst in eine hexagonale Anordnung. Dies wird eine selbstaufgebaute geordnete Anordnung von Nanopartikeln.The thickness of the microsphere layer can be controlled to a few monolayers. This is due to the larger dimensions (a few hundred nanometers to micrometers in diameter) of fluorescent microspheres compared to phosphors. By forming a thin coating of microspheres (e.g., no more than a few monolayers), the microspheres organize themselves into a hexagonal arrangement. This becomes a self-assembled, ordered arrangement of nanoparticles.

Die fluoreszierenden Mikrosphären können am Ort fixiert werden und durch Auftragen einer dielektrischen Schicht, wie SiO₂, unter Verwendung von Elektronenstrahlverdampfen geschützt werden. Es kann weiter ein Verkapselungsmittel vom Epoxidtyp über den mit Mikrosphären überzogenen Chip aufgetragen werden, um den Hybrid-LED-Stapel vor der äußeren Umgebung zu schützen.The fluorescent microspheres can be fixed in place and protected by applying a dielectric layer such as SiO ₂ using electron beam evaporation. An epoxy-type encapsulant may also be applied over the microsphere-coated chip to protect the hybrid LED stack from the outside environment.

Ein weiteres Verfahren zum Mikrosphärenbeschichten ist ein Vormischen von Mikrosphären mit dem Verkapselungsmittel. Die Mikrosphärensuspension wird in ein Versuchsröhrchen eingebracht und erwärmt, um den Wassergehalt (DI-Wasser) zu entfernen. Das Verkapselungsmittel wird in das Versuchsröhrchen zugegeben. Das Versuchsröhrchen wird zum gleichmäßigen Vermischen in einen Rüttler gesetzt. Die Mischung kann dann unter Verwendung eines Tropfenzählers, einer Spritze oder Pipette auf den LED-Stapel aufgetragen werden. In einem Aspekt können unterschiedlich gefärbte Mikrosphären mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen in variablen Anteilen gemischt werden, um weißes Licht mit unterschiedlichen „Weißgraden“, das heißt unterschiedlichen Farbtemperaturen, zu erzielen.Another method of coating microspheres is to premix microspheres with the encapsulant. The microsphere suspension is placed in a test tube and heated to remove the water content (DI water). The encapsulant is added to the test tube. The test tube is placed in a shaker to mix evenly. The mixture can then be applied to the LED stack using a dropper, syringe, or pipette. In one aspect, differently colored microspheres with different emission wavelengths can be mixed in variable proportions in order to achieve white light with different “degrees of whiteness”, i.e. different color temperatures.

Claims

Light source device with - a first light emitting diode (1505) for emitting light of a first wavelength (200), the first light emitting diode (1505) having angled facets for reflecting incident light towards an upper end of the first light emitting diode (1505), - a second light emitting diode (1510) for emitting light of a second wavelength (205, 210), wherein the second light emitting diode (1510) is arranged over the upper end of the first light emitting diode (1505) and angled facets for reflecting incident light toward an upper end of the second light emitting diode (1510), - a first distributed Bragg reflector (1520) disposed between the upper end of the first light emitting diode (1505) and a lower end of the second light emitting diode (1510) and adapted to transmit light from the first light emitting diode (1505) and reflecting light from the second light emitting diode (1510), and - a layer of fluorescent microspheres (1515) on the second light emitting diode (1510), wherein the layer of fluorescent microspheres (1515) is adapted to emit light of a third wavelength when it is accompanied by light from the first light emitting diode (1510) or is excited by light from the second light emitting diode (1510).

Light source device according to Claim 1 wherein the first light emitting diode (1505) is adapted to emit red light and the layer of fluorescent microspheres (1515) is adapted to emit green light when the second light emitting diode (1510) emits blue light.

Light source device according to Claim 2 wherein it simultaneously emits red light from the first light emitting diode (1505) and blue light from the second light emitting diode (1510) to generate polychromatic light through the layer of fluorescent microspheres (1515).

Light source device according to one of the Claims 1 until 3 wherein - the first light-emitting diode (1505) and / or the second light-emitting diode (1510) are monolithic or - the first wavelength (200) is longer than the second wavelength (205, 210).

Light source device according to one of the Claims 1 until 4th , further comprising a mirror coating (300, 310) on the angled facets of the individual light emitting diodes (1505, 1510), wherein the mirror coating (300, 310) comprises a metal layer and is adapted to reflect light and light loss from the angled facets of the first and second light emitting diodes (1505, 1510) to suppress.

Light source device according to one of the Claims 1 until 5 , further comprising a second distributed Bragg reflector (1530) arranged between the upper end of the second light emitting diode (1510) and a lower end of the layer of fluorescent microspheres (1515) and adapted to receive light from the second light emitting diode (1510 ) pass and reflect light from the layer of fluorescent microspheres (1515).

Light source device according to one of the Claims 1 until 6th wherein the first and the second light-emitting diode (1505, 1510) are essentially identical in design and emission area and are manufactured on different semiconductor materials with different band gaps.

Light source device according to Claim 7 wherein light emitted by the first light-emitting diode (1505) passes through the second light-emitting diode (1510) essentially without loss due to the band gaps.

Light source device according to Claim 3 wherein the polychromatic light includes white light.

Light source device according to Claim 9 wherein an optical output of the light source device is adjustable by varying the intensity or the amount of red light and blue light.

Optoelectronic component with a stack of monochromatic microdisplays that comprises: - A first microdisplay (1000, 1200) for emitting light of a first wavelength, - A second microdisplay (1010, 1210) for emitting light of a second wavelength different from the first wavelength and - A distributed Bragg reflector (1520) which is arranged between the first microdisplay (1000, 1200) and the second microdisplay (1010, 1210) and is adapted to transmit light from the first microdisplay (1000, 1200) and light from the second microdisplay (1010, 1210) to reflect, - wherein the second microdisplay (1010, 1210) is stacked on a top side of the first microdisplay (1000, 1200) and at least one layer of fluorescent microspheres (1515) is stacked on the second microdisplay (1010, 1210).

Optoelectronic component according to Claim 11 wherein the first microdisplay (1000, 1200) is a red microdisplay, the second microdisplay (1010, 1210) is a blue microdisplay and the at least one layer of fluorescent microspheres (1515) includes green fluorescent microspheres.

Optoelectronic component according to Claim 11 or 12th wherein the first and the second microdisplay (1000, 1010, 1200, 1210) have identical design and dimensions.

Optoelectronic component according to Claim 13 wherein the first and the second microdisplay (1000, 1010, 1200, 1210) are fabricated on different semiconductor materials with band gaps that correspond to the color to be emitted.

Optoelectronic component according to one of the Claims 11 until 14th wherein each of the microdisplays (1000, 1010, 1200, 1210) includes at least one pixel that includes a two-dimensional array of matrix addressable light emitting diodes in the micrometer scale range.

Optoelectronic component according to Claim 15 wherein a single pixel on each of the first and second micro-displays (1000, 1010, 1200, 1210) are stacked to form a stack of pixels.

Optoelectronic component according to one of the Claims 11 until 16 , whereby - components in the pixel stack are individually controllable in order to achieve different emission intensities, or - the emission of light-emitting diodes in a pixel stack is optically mixed or - the pixel stack is arranged as a two-dimensional array of light-emitting diode stacks, at least one of which is adjustable in color is.